履带式机器人的轨迹跟踪方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人智能控制方法技术领域，是一种履带式机器人的轨迹跟踪方 法。
【背景技术】
[0002] 履带式机器人由于其良好的越野机动性能，牵引附着性能，卓越的自复位和越障 能力，而受到越来越广泛的重视。特别是在复杂地形，履带式机器人较其他机器人有明显地 优势，然而要控制履带式装置，驾驶员必须完成一系列复杂的机械操作，这样既增加了驾驶 员的工作量，又降低了履带式装置在复杂地形机动的能力，因此，根据路径规划，对履带式 机器人进行自动控制非常重要。
[0003] 目前，国内外有很多学者对履带式机器人的轨迹跟踪问题进行了研宄。一种常用 的方法是设计了"基于时间"的跟踪控制器，然后利用STR映射将此控制器转换成非时间参 考的控制器，这种方法的实现较为复杂，不易找到合适的STR映射；另一种方法为通过重新 设计切换面，提出了一种全局非奇异终端滑模控制器，可用于带参数不确定和外部扰动的 二阶非线性动态系统，然而这种方法易产生较大的抖振，且实现起来很复杂。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种履带式机器人的轨迹跟踪方法，克服了上述现有技术之不足， 其能有效解决现有存在的费时费力、施工效率较低、存在安全隐患的问题。
[0005] 本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种履带式机器人的轨迹跟踪方 法，按照以下步骤进行：步骤101，在平面二维坐标系中，建立履带式机器人的初始运动学 方程；步骤102,设定切换函数，计算出基于常规趋近律的控制函数；步骤103,使用基于切 换函数的指数增益替换常量增益，计算出基于指数趋近律的滑模控制律；步骤104,对每一 组输入数据和每一组输出数据使用基于指数趋近律的滑模控制律，建立履带式机器人的初 始控制函数矩阵；步骤105,调整履带式机器人的方向为沿运动轨迹的切线方向；步骤106， 使用基于指数趋近律的滑模控制律，计算出履带式机器人的控制函数矩阵。
[0006] 下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：
[0007] 上述在步骤101中，用X表示履带式机器人在平面二维坐标系中的横坐标，y表 示履带式机器人在平面二维坐标系中的纵坐标，用？表示履带式机器人沿横坐标的速度， 太表示履带式机器人沿纵坐标的速度，在平面二维坐标系中，建立履带式机器人的初始运 动学方程：
【主权项】
1. 一种履带式机器人的轨迹跟踪方法，其特征在于按照以下步骤进行： 步骤101，在平面二维坐标系中，建立履带式机器人的初始运动学方程； 步骤102,设定切换函数，计算出基于常规趋近律的控制函数； 步骤103,使用基于切换函数的指数增益替换常量增益，计算出基于指数趋近律的滑模 控制律； 步骤104,对每一组输入数据和每一组输出数据使用基于指数趋近律的滑模控制律，建 立履带式机器人的初始控制函数矩阵； 步骤105,调整履带式机器人的方向为沿运动轨迹的切线方向； 步骤106,使用基于指数趋近律的滑模控制律，计算出履带式机器人的控制函数矩阵。
2. 根据权利要求1所述的履带式机器人的轨迹跟踪方法，其特征在于在步骤101中， 用X表示履带式机器人在平面二维坐标系中的横坐标，y表示履带式机器人在平面二维坐 标系中的纵坐标，用？表示履带式机器人沿横坐标的速度，/表示履带式机器人沿纵坐 标的速度，在平面二维坐标系中，建立履带式机器人的初始运动学方程：
其中，H表示履带式机器人的宽度，vJPv2分别表示左右履带轮的速度，Θ表示履带式 机器人与横轴的夹角，w或θ'表示角速度，At为一短时间，系统的输入变量为xjPyd， 输出变量为X，y， 9，V1, v2; 在步骤102中，设定切换函数为S= (X" -xd" ) + λ(χ' -Xd')，采用滑模常规趋近 律s = -kgsat (s)，则基于常规趋近律的滑模控制函数为： (X" -Xd" ) + λ(χ，-Xd' )=_k.sat((x，-Xd' ) + λ (X-Xd)) I由.γ和γ,分則表示实际轨迹变量和参考轨迹变量，sat ()为饱和函数
λ为切换函数系数，k为控制律的增益； 在步骤103中，以基于切换函数的指数增益替换常规趋近律的常量增益 k，_ ☆其干枨撒鸪i斤铕的婚M焯制I函撒.
其中，s为切换函数，α为指数趋近律的控制系数； 在步骤104中，对履带式机器人的每一个运动状态都使用基于指数趋近律的滑模控制 函数，可列出初始的控制函数矩阵：
其中，xd，yd，Θ d，vdl，Vd2分别表示横纵坐标、转角、左右履带轮速度的参考轨 迹变量，X，y, 9，V1, vjj表示它们的实际轨迹变量；X '，y '，Θ '，V /，V ,和 Xd'，yd'，Θ/，Ydl'，Yd2'表示他们的 1 阶导数；X"，y"，Θ "，Vl"，V2"和 Xd"，yd"，θ/，vdl"，vd2"表示他们的2阶导数；A 1, λ2, λ3, λ4, \5为对应控制律的 切换函数系数；Si，s2, s3, s4, S5为对应控制律的切换函数；k i，k2, k3, k4,匕为对应控制律的 增益系数；a i，α 2，α 3，α 4, α 5为对应指数控制律的控制系数； 在步骤105中，设定履带式机器人的方向为沿运动轨迹的切线方向，则调整履带式机 器人的运动学方程为
在步骤106中，履带式机器人的控制函数矩阵为
3.根据权利要求2所述的履带式机器人的轨迹跟踪方法，其特征在于在步骤104中，输 入的数据为采集得到的数据，即& 5输出的数据为0。 Vu vI V2J V2
4.根据权利要求3所述的履带式机器人的轨迹跟踪方法，其特征在于在步骤104中，输 入的数据为采集得到的数据，即^。 d
【专利摘要】本发明涉及机器人智能控制方法技术领域，是一种履带式机器人的轨迹跟踪方法，按照以下步骤进行：建立履带式机器人的初始运动学方程；设定切换函数，计算出基于常规趋近律的控制函数；使用基于切换函数的指数增益替换常量增益，计算出基于指数趋近律的滑模控制律；对每一组输入数据和每一组输出数据使用基于指数趋近律的滑模控制律，建立履带式机器人的初始控制函数矩阵；调整履带式机器人的方向为沿运动轨迹的切线方向；使用基于指数趋近律的滑模控制律，计算出履带式机器人的控制函数矩阵。本发明能根据路径规划，实现对机器人轨迹的智能控制，减少驾驶员的操作难度，提高履带式机器人在复杂地形的越野能力。
【IPC分类】G05D1-02
【公开号】CN104635734
【申请号】CN201410751475
【发明人】李国栋, 李小龙, 李凯, 陈建新, 宋志新, 黄琳华
【申请人】华北电力大学, 国家电网公司, 国网新疆电力公司信息通信公司
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2014年12月9日